張娜,劉廣治

(1.廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,河北廊坊 065001; 2.北京探礦工程研究所,北京 100083)

1 概述

1.1 AMESim軟件

AMESim軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程高級(jí)建模和仿真平臺(tái),它是由法國(guó)Imagine公司1995年開(kāi)始推出的基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)建模及仿真軟件,作為系統(tǒng)仿真的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)受到了世界各國(guó)用戶的一致認(rèn)可。AMESim軟件主要用于解決控制、氣動(dòng)、電磁、機(jī)械以及液壓等復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題,已經(jīng)被廣泛用于設(shè)計(jì)和分析車(chē)輛、航空航天、工程機(jī)械和船舶、鐵路等行業(yè)的數(shù)字試驗(yàn)平臺(tái)、機(jī)器人、傳動(dòng)系統(tǒng)、泵、馬達(dá)、矢量推進(jìn)器等[1-3]。

AMESim為用戶提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模環(huán)境,它可利用已有模型和(或)建立新子模型,來(lái)構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型,采用易于識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)ISO圖標(biāo)和簡(jiǎn)單直觀的多端口框圖,方便用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)以及用戶所需的特定應(yīng)用實(shí)例,還可以修改模型和仿真參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結(jié)果。該軟件界面友好、操作方便,能夠讓使用者快速建立仿真模型,并能幫助用戶分析系統(tǒng)參數(shù)以及優(yōu)化設(shè)計(jì),從而縮短開(kāi)發(fā)周期,減少開(kāi)發(fā)成本。

用戶可以直接使用AMESim軟件提供的元件庫(kù),包括信號(hào)控制庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、動(dòng)力傳動(dòng)庫(kù)、液阻庫(kù)、氣動(dòng)庫(kù)、電磁庫(kù)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫(kù)、冷卻系統(tǒng)庫(kù)、熱庫(kù)、熱液壓庫(kù)、熱氣動(dòng)庫(kù)、熱液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、二項(xiàng)庫(kù)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)庫(kù)等來(lái)構(gòu)建仿真模型,從而可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái),專(zhuān)注于系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。該軟件中的應(yīng)用庫(kù)也正在針對(duì)不同的研究對(duì)象進(jìn)行不斷地補(bǔ)充和完善。此外,作為設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)重要的應(yīng)用工具,AMESim具有與其他軟件豐富的接口,例如Simulink、Adams、LabVIEW、Simpack、Flux2D、RTLab、dSPACE、iSIGHT等。

1.2 水下鉆機(jī)機(jī)械手

水下鉆機(jī)是一種鉆探系統(tǒng)完全工作于水底的鉆探設(shè)備,與通常的船載鉆機(jī)需要鉆探船或鉆井平臺(tái)有著完全不同的工作方式,水下鉆機(jī)在水下工作時(shí),只需要一條具有承載能力的臍帶纜就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的能量供應(yīng)和通訊控制,圖1為水下鉆機(jī)工作示意圖。與船載鉆機(jī)相比,水下鉆機(jī)具有鉆探成本低、效率高、受天氣影響小、樣品擾動(dòng)小、取心質(zhì)量高、設(shè)備體積小、易操作和船舶適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此,研發(fā)水下鉆機(jī)用于海底資源勘探、海洋地質(zhì)調(diào)查以及海洋科學(xué)考察,已成為必然趨勢(shì)。

圖1 海底鉆機(jī)工作示意圖[4]Fig.1 Schematic diagram of subsea drilling machine

由于水下鉆機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)程遙控的方式進(jìn)行作業(yè),因此水下鉆機(jī)鉆桿的接卸需要利用機(jī)械手來(lái)完成,水下鉆機(jī)鉆桿接卸機(jī)械手及鉆桿存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)如圖2所示。鉆桿與巖心管均沿著徑向布置在存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)中,機(jī)械手的回轉(zhuǎn)中心為鉆桿和巖心管存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的圓心,機(jī)械手在回轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下,沿著給定的角度去抓取鉆桿用于水下鉆機(jī)鉆進(jìn),同時(shí)機(jī)械手也將含有取出樣品的巖心管送到巖心管存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)中。該過(guò)程對(duì)機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度控制都很?chē)?yán)格,機(jī)械手接卸鉆桿的精度直接關(guān)系到水下鉆機(jī)作業(yè)能否順利完成。

由于水下環(huán)境的特殊性,機(jī)械手等關(guān)鍵部件的研發(fā)成本很高,借助計(jì)算機(jī)仿真的手段,建立仿真模型,確定關(guān)鍵參數(shù),為定型設(shè)計(jì)提供依據(jù),降低研發(fā)成本。

2 水下鉆機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)物理模型搭建

水下鉆機(jī)機(jī)械手控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的就是控制好機(jī)械手的回轉(zhuǎn)角度,并對(duì)相應(yīng)角度的鉆桿進(jìn)行抓取。水下鉆機(jī)機(jī)械手回轉(zhuǎn)動(dòng)作的控制模式是比例閥控?cái)[動(dòng)馬達(dá)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),控制策略為角度反饋的閉環(huán)控制[5-8]。

利用AMESim仿真軟件建立機(jī)械手控制系統(tǒng)仿真模型分為以下四個(gè)步驟:①方案模式(sketch mode),可以創(chuàng)建新系統(tǒng)以及修改或完成一個(gè)已有的系統(tǒng);②子模型模式(submodel mode),可以給每一個(gè)元件選擇子模型、使用首選子模型功能(premier submodel)以及刪除元件的子模型;③參數(shù)模式(parameter mode),可以檢查或修改子模型參數(shù)、拷貝子模型參數(shù)、設(shè)置全局參數(shù)、選擇方案的一部分區(qū)域,顯示這一區(qū)域的共同參數(shù),以及設(shè)置批運(yùn)行;④仿真模式(simulation mode),可以初始化標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行仿真和批量運(yùn)行仿真、繪制結(jié)果圖、存儲(chǔ)和裝載所有或部分坐標(biāo)圖的配置、初始化當(dāng)前系統(tǒng)的線性化、完成線性化系統(tǒng)的各種分析,以及完成活性指數(shù)分析。

利用AMESim軟件庫(kù)中元器件的模型,搭建水下鉆機(jī)機(jī)械手回轉(zhuǎn)控制的物理模型如圖3所示。各個(gè)模型主要參數(shù):馬達(dá)排量100 mL/r,運(yùn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量100 kg·m2,運(yùn)算放大器參數(shù)10,泵排量28 mL/r,電機(jī)轉(zhuǎn)速1000 r/min,工作壓力21 MPa。

圖3 機(jī)械手回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of manipulator rotation control system

3 水下鉆機(jī)機(jī)械手回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)仿真及分析

鉆桿在存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)的分布規(guī)律為沿圓周每隔15°布置,因此機(jī)械手的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)角度為15°的整數(shù)倍,所以選取15°作為輸入信號(hào),如圖4所示。

圖4 輸入信號(hào)曲線Fig.4 Input signal curve

輸入的控制信號(hào)為階躍信號(hào),控制信號(hào)與角度傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行做差,差值經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大后控制比例方向閥動(dòng)作,擺動(dòng)馬達(dá)按照輸入信號(hào)回轉(zhuǎn),直至角度傳感器測(cè)得信號(hào)與輸入信號(hào)相同為止。輸入信號(hào)為15°時(shí),機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of manipulator rotation angle

從圖5可以看出,在輸入的控制信號(hào)作用下,比例方向閥控制機(jī)械手回轉(zhuǎn),機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)存在超調(diào);在閉環(huán)控制下,慢慢穩(wěn)定在輸入信號(hào)所限定的位置附近進(jìn)行微小角度的擺動(dòng),這種現(xiàn)象可能由于機(jī)械手回轉(zhuǎn)部分的慣量大引起。

改變機(jī)械手回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可以得到機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線規(guī)律,如圖6所示。由圖6可以看出,機(jī)械手回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確實(shí)可以影響超調(diào)量,但系統(tǒng)都存在振動(dòng)。分析原因可能是系統(tǒng)的阻尼小,因此在機(jī)械手的回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中通過(guò)改變阻尼元件,來(lái)分析是否由于系統(tǒng)阻尼小導(dǎo)致角度響應(yīng)曲線存在超調(diào)以及振動(dòng)。

圖6 機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of manipulator rotation angle

在機(jī)械手回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中增加節(jié)流閥,改變節(jié)流閥的開(kāi)口度,得到的機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線如圖7所示。從圖7中可以看出,降低機(jī)械手回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的節(jié)流面積可以有效地解決系統(tǒng)的超調(diào)和振動(dòng),可以有效提高機(jī)械手回轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

圖7 機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線Fig.7 Response curve of manipulator rotation angle

改變控制信號(hào)的形式,由階躍控制信號(hào)改變?yōu)榫€性輸入信號(hào),分析對(duì)機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度曲線的影響規(guī)律。輸入的線性控制信號(hào)如圖8所示,輸入的線性控制信號(hào)控制機(jī)械手回轉(zhuǎn)由初始位置15°回轉(zhuǎn)到45°。

圖8 輸入的線性控制信號(hào)Fig.8 Input linear control signal

在圖8輸入的線性控制信號(hào)作用下,機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度及角速度變化曲線如圖9所示。在線性控制信號(hào)控制下,機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度響應(yīng)曲線表現(xiàn)為線性變化,與輸入信號(hào)一致。比較圖9與圖5可以看出:線性信號(hào)控制下的機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度更加平穩(wěn),沒(méi)有超調(diào)及振蕩。由圖9還可以看出機(jī)械手回轉(zhuǎn)的角速度比較平穩(wěn)。

圖9 機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度及角速度曲線Fig.9 Manipulator rotation angle and angular velocity curve

4 結(jié)論

機(jī)械手回轉(zhuǎn)過(guò)程中,回轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小會(huì)影響機(jī)械手回轉(zhuǎn)的控制精度。因此機(jī)械手在設(shè)計(jì)過(guò)程中,在保證強(qiáng)度的前提下,應(yīng)盡量減輕回轉(zhuǎn)部分的重量及偏心量,從而降低回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。機(jī)械手回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中增加節(jié)流閥可以有效增加系統(tǒng)阻尼,改善回轉(zhuǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。

AMESim仿真軟件可以快速搭建液壓控制系統(tǒng),通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù),得出性能優(yōu)化曲線,為實(shí)際液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。借助該軟件可以有效模擬實(shí)際控制系統(tǒng)的效果,縮短研發(fā)周期,節(jié)省系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。